Az egyesült államokbeli fizikusoknak rekord felbontású fényképeken sikerült megörökíteniük az egyes atomokat – írja a Day.Az a Vesti.ru-ra hivatkozva.

Az egyesült államokbeli Cornell Egyetem tudósainak rekord felbontású – kevesebb, mint fél angström (0,39 Å) – felbontással sikerült megörökíteniük az egyes atomokat. A korábbi fényképek fele kisebb felbontásúak voltak – 0,98 Å.

Fél évszázada léteztek nagy teljesítményű, atomokat látó elektronmikroszkópok, de felbontásukat korlátozza a látható fény hullámhossza, amely nagyobb, mint az átlagos atom átmérője.

Ezért a tudósok a lencsék egy bizonyos analógját használják, amelyek az elektronmikroszkópokban fókuszálják és felnagyítják a képeket - ez egy mágneses mező. A mágneses tér ingadozása azonban torzítja a kapott eredményeket. A torzítások eltávolítására további eszközöket használnak, amelyek korrigálják a mágneses teret, ugyanakkor növelik az elektronmikroszkóp tervezésének összetettségét.

Korábban a Cornell Egyetem fizikusai kifejlesztették az Electron Microscope Pixel Array Detector-t (EMPAD), amely egy összetett generátorrendszert vált ki, amely a bejövő elektronokat egyetlen kis mátrixba fókuszálja, 128x128 pixeles felbontással, amely érzékeny az egyes elektronokra. Minden pixel rögzíti az elektron visszaverődési szögét; Ennek ismeretében a tudósok a ptyakográfia technikáját használják az elektronok jellemzőinek rekonstruálására, beleértve annak a pontnak a koordinátáit, ahonnan kiszabadultak.

Atomok a legnagyobb felbontásban

David A. Muller et al. Természet, 2018.

2018 nyarán a fizikusok úgy döntöttek, hogy a kapott képek minőségét a mai napig rekord felbontásra javítják. A tudósok egy 2D-s anyagot, a MoS2-molibdén-szulfidot rögzítettek egy mozgó sugárhoz, és elektronsugarat szabadítottak fel úgy, hogy a nyalábot különböző szögekben forgatták az elektronforráshoz képest. Az EMPAD és a ptaikográfia segítségével a tudósok meghatározták az egyes molibdénatomok közötti távolságokat, és rekord felbontású, 0,39 Å képet kaptak.

„Alapvetően a világ legkisebb vonalát hoztuk létre” – magyarázza Sol Gruner, a kísérlet egyik szerzője. A kapott képen 0,39 Å rekordfelbontású kénatomokat lehetett megkülönböztetni. Sőt, még egy olyan helyet is ki lehetett látni, ahol egy ilyen atom hiányzott (nyíl jelzi).

Kénatomok rekordfelbontásban

1. De mi teljesen más irányból indulunk ki. Mielőtt az anyag mélyébe utaznánk, fordítsuk felfelé a tekintetünket.

Például ismert, hogy a Hold távolsága átlagosan csaknem 400 ezer kilométer, a Naptól - 150 millió, a Plútóig (amely már nem látható távcső nélkül) - 6 milliárd, a legközelebbi csillaghoz, a Proxima Centaurihoz - 40 billió, az Androméda-köd legközelebbi nagy galaxisába - 25 kvintimillió, végül pedig a megfigyelhető Univerzum peremére - 130 szextillió.

Lenyűgöző persze, de a különbség ezek között a „quadri-”, „quinti-” és „sexti-” között nem tűnik olyan hatalmasnak, bár ezerszer különböznek egymástól. A mikrovilág teljesen más kérdés. Hogy lehet benne ennyi érdekesség elrejtve, mert egyszerűen nincs hely, ahol elférne? Ezt mondja nekünk a józan ész és rossz.

2. Ha az Univerzum legkisebb ismert távolságát a logaritmikus skála egyik végére, a másikra a legnagyobbat helyezzük, akkor a közepén... egy homokszem lesz. Átmérője 0,1 mm.

3. Ha 400 milliárd homokszemet teszel egy sorba, a soruk az egész földgömböt körbeveszi az Egyenlítő mentén. És ha összegyűjti ugyanazt a 400 milliárdot egy zsákban, akkor körülbelül egy tonnát fog nyomni.

4. Az emberi hajszál vastagsága 50-70 mikron, azaz milliméterenként 15-20 darab van belőle. Ahhoz, hogy meghatározzuk velük a Hold távolságát, 8 billió hajszálra lesz szüksége (ha természetesen nem hosszában, hanem szélességében adja hozzá). Mivel egy ember fején körülbelül 100 ezer van belőlük, ha Oroszország teljes lakosságából összegyűjti a hajat, akkor több mint elég lesz a Holdra jutáshoz, és még marad is belőle.

5. A baktériumok mérete 0,5-5 mikron. Ha akkora méretűre növeljük az átlagos baktériumot, hogy kényelmesen elférjen a tenyerünkben (100 ezerszer), akkor egy hajszál vastagsága 5 méter lesz.

6. Egyébként egy kvadrillió baktérium él az emberi testben, és összsúlyuk 2 kilogramm. Valójában még több van belőlük, mint magának a testnek a sejtjei. Tehát teljesen lehetséges azt mondani, hogy az ember egyszerűen egy szervezet, amely baktériumokból és vírusokból áll, és valami más kis zárványaival.

7. A vírusok mérete még jobban eltér, mint a baktériumok - csaknem 100 ezerszer. Ha ez az emberek esetében is így lenne, akkor 1 centiméter és 1 kilométer közötti magasak lennének, és társas kapcsolataik különös látványt nyújtanának.

8. A leggyakoribb vírustípusok átlagos hossza 100 nanométer vagy 10^(-7) méter fok. Ha ismét úgy hajtjuk végre a közelítési műveletet, hogy a vírus tenyérnyi lesz, akkor a baktérium hossza 1 méter, hajszál vastagsága pedig 50 méter lesz.

9. A látható fény hullámhossza 400-750 nanométer, ennél kisebb tárgyakat egyszerűen lehetetlen látni. Miután megpróbált megvilágítani egy ilyen tárgyat, a hullám egyszerűen megkerüli, és nem tükröződik vissza.

10. Néha az emberek megkérdezik, hogy néz ki egy atom, vagy milyen színű. Valójában az atom nem hasonlít semmire. Csak egyáltalán nem. És nem azért, mert a mikroszkópunk nem elég jó, hanem azért, mert az atom méretei kisebbek, mint a távolság, amelyre a „láthatóság” fogalma létezik...

11. 400 billió vírust lehet szorosan összecsomagolni a földkerekség kerületén. Sok. A fény ezt a távolságot kilométerben 40 év alatt teszi meg. De ha mindet összerakja, könnyen elférnek az ujjbegyén.

12. Egy vízmolekula hozzávetőleges mérete 3 x 10^(-10) méter. Egy pohár vízben 10 szeptillió ilyen molekula található – körülbelül ugyanennyi milliméternyire tőlünk az Androméda-galaxisig. És egy köbcentiméter levegőben 30 kvintimillió molekula található (főleg nitrogén és oxigén).

13. A szénatom átmérője (az összes földi élet alapja) 3,5 x 10^(-10) méter, vagyis még valamivel nagyobb, mint egy vízmolekuláé. A hidrogénatom 10-szer kisebb - 3 x 10^(-11) méter. Ez persze nem elég. De milyen kevés? A csodálatos tény az, hogy a legkisebb, alig látható sószem 1 kvintimillió atomból áll.

Lapozzuk át a standard skálánkat, és nagyítsuk rá a hidrogénatomot, hogy kényelmesen elférjen a kezünkben. A vírusok ekkor 300 méteresek, a baktériumok 3 kilométeresek, a hajszál vastagsága pedig 150 kilométeres lesz, és fekvő állapotban is túllép a légkör határain (hosszában pedig elérheti). a Hold).

14. Az úgynevezett „klasszikus” elektronátmérő 5,5 femtométer vagy 5,5 10^(-15) méterenként. A proton és a neutron mérete még kisebb, és körülbelül 1,5 femtométer. Méterenként megközelítőleg ugyanannyi proton van, mint amennyi a hangyában a Földön. A már jól ismert nagyítást használjuk. A proton kényelmesen fekszik a tenyerünkben, és ekkor egy átlagos vírus mérete 7000 kilométer lesz (mellesleg majdnem egész Oroszország mérete nyugatról keletre), a hajszál vastagsága pedig kétszerese lesz. akkora, mint a Nap.

15. A méretekről nehéz konkrétat mondani. Becslések szerint valahol 10^(-19)-10^(-18) méter között vannak. A legkisebb – egy igazi kvark – „átmérője” (írjuk idézőjelbe, hogy emlékeztessen a fentiekre) 10^(-22) méter.

16. Létezik olyan is, mint a neutrínó. Nézd a tenyeredet. A Nap által kibocsátott billió neutrínó minden másodpercben átrepül rajta. És nem kell a háta mögé rejteni a kezét. A neutrínók könnyen átjuthatnak a testeden, a falon, az egész bolygónkon, sőt még egy 1 fényév vastag ólomrétegen is. Egy neutrínó „átmérője” 10^(-24) méter – ez a részecske 100-szor kisebb, mint egy valódi kvark, vagy egymilliárdszor kisebb, mint egy proton, vagy 10 szeptilliószor kisebb, mint egy tyrannosaurus. Maga a Tyrannosaurus majdnem annyiszor kisebb, mint a teljes megfigyelhető Univerzum. Ha felnagyítunk egy neutrínót narancs méretűre, akkor még egy proton is tízszer nagyobb lesz, mint a Föld.

17. Egyelőre őszintén remélem, hogy a következő két dolog közül valamelyik felkelti a figyelmedet. Az első az, hogy még tovább mehetünk (és még intelligens találgatásokat is tehetünk arról, hogy mi lesz ott). A második - de ugyanakkor még mindig lehetetlen végtelenül mélyebbre hatolni az anyagban, és hamarosan zsákutcába futunk. De ahhoz, hogy ezeket a „zsákutcás” méreteket elérjük, további 11 nagyságrenddel kell lejjebb mennünk, ha a neutrínóktól számolunk. Vagyis ezek a méretek 100 milliárdszor kisebbek, mint a neutrínók. Egyébként egy homokszem ugyanannyiszor kisebb, mint az egész bolygónk.

18. Tehát 10^(-35) méteres méreteknél egy olyan csodálatos fogalommal állunk szemben, mint a Planck-hossz – ez a minimális lehetséges távolság a való világban (amennyire ez általánosan elfogadott a modern tudományban).

19. Kvantumhúrok is élnek itt - olyan tárgyak, amelyek bármilyen szempontból nagyon figyelemre méltóak (például egydimenziósak - nincs vastagságuk), de témánk szempontjából fontos, hogy a hosszuk is 10^(-35) belül legyen. ) méter. Végezzük el utoljára a szokásos „nagyítási” kísérletünket. A kvantumfüzér kényelmes méretűvé válik, és úgy tartjuk a kezünkben, mint egy ceruzát. Ebben az esetben a neutrínó 7-szer nagyobb lesz, mint a Nap, a hidrogénatom pedig 300-szor nagyobb, mint a Tejútrendszer mérete.

20. Végül elérkezünk az univerzum szerkezetéhez – ahhoz a skálához, amelyen a tér olyanná válik, mint az idő, az idő olyan, mint a tér, és számos egyéb bizarr dolog történik. Nincs tovább (valószínűleg)...

Az emberi evolúcióban nincs „hiányzó láncszem”.

A "hiányzó láncszem" kifejezés kimaradt a tudományos körökből, mert azzal a téves feltételezéssel társítják, hogy az evolúciós folyamat lineáris, és szekvenciálisan, "láncban" megy végbe. Ehelyett a biológusok az "utolsó közös ős" kifejezést használják.

Érdekes tények a naprendszerről

Láttál már atomokat? Te és én belőlük állunk, szóval valójában igen. De látott már valaha egyetlen atomot? A közelmúltban egyetlen atomot ábrázoló, elektromos mezők által rögzített lenyűgöző fénykép nyert meg egy rangos tudományos fotópályázatot a legmagasabb kitüntetéssel. A fotó egészen logikus „Egyetlen atom az ioncsapdában” címmel nevezett be a versenybe, szerzője David Nadlinger, az Oxfordi Egyetemről.

Az Egyesült Királyság Mérnöki és Fizikai Tudományok Kutatási Tanácsa (EPSRC) kihirdette nemzeti tudományos fotópályázatának győzteseit, ahol egyetlen atom nyeri a fődíjat.

A képen az atom apró fényfoltként jelenik meg két fémelektróda között, amelyek egymástól körülbelül 2 mm-re helyezkednek el.

Fotó felirat:

"A fénykép közepén egy kis fényes pont látható – egy pozitív töltésű stronciumatom. Szinte mozdulatlanul tartják a körülötte lévő fémelektródákból kiáramló elektromos mezők. Kék-lila lézerrel megvilágítva az atom gyorsan elnyeli és újra kibocsátja a fényrészecskéket, így egy hagyományos fényképezőgéppel hosszú expozícióval is le tudom fényképezni."

"A fotó annak az ultramagas vákuumkamrának az ablakán keresztül készült, amelyben a csapda található. A lézerhűtéses atomionok kiváló alapot adnak a kvantumfizika egyedülálló tulajdonságainak tanulmányozására és kiaknázására. Rendkívül pontos órák készítésére szolgálnak. vagy, mint ebben az esetben, részecskékként a jövő kvantumszámítógépeinek megépítéséhez, amelyek képesek lesznek megoldani azokat a problémákat, amelyek a mai legerősebb szuperszámítógépek mellett is eltörpülnek."

Ha még mindig nem látná az atomot, itt van

"Az az ötlet, hogy szabad szemmel egyetlen atomot láthassak, feldobta az agyamat, hidat biztosítva az apró kvantumvilág és a makroszkopikus valóságunk között" - mondta David Nadlinger.

Magának az atomnak – és nem akármelyik részének – lefényképezése azonban még a legmodernebb eszközökkel is rendkívül nehéz feladatnak tűnt.

A helyzet az, hogy a kvantummechanika törvényei szerint lehetetlen egyformán pontosan meghatározni egy szubatomi részecske összes tulajdonságát. Az elméleti fizika ezen ága a Heisenberg-féle bizonytalansági elvre épül, amely kimondja, hogy lehetetlen egy részecske koordinátáit és impulzusát egyenlő pontossággal mérni – az egyik tulajdonság pontos mérése minden bizonnyal megváltoztatja a másikra vonatkozó adatokat.

Ezért a kvantumelmélet a hely (a részecske koordinátáinak) meghatározása helyett az úgynevezett hullámfüggvény mérését javasolja.

A hullámfüggvény nagyjából ugyanúgy működik, mint a hanghullám. A különbség csupán annyi, hogy a hanghullám matematikai leírása határozza meg a molekulák mozgását a levegőben egy adott helyen, a hullámfüggvény pedig a Schrödinger-egyenlet szerint írja le a részecske megjelenésének valószínűségét egy adott helyen.

A hullámfüggvény mérése is nehéz (a közvetlen megfigyelések összeomlásához vezetnek), de az elméleti fizikusok nagyjából meg tudják jósolni az értékeit.

A hullámfüggvény összes paraméterének kísérleti mérése csak akkor lehetséges, ha azt teljesen azonos atom- vagy molekularendszereken végzett külön destruktív mérésekből gyűjtjük össze.

A holland AMOLF kutatóintézet fizikusai egy új módszert mutattak be, amely semmilyen „átrendezést” nem igényel, és munkájuk eredményét a Physical Review Letters folyóiratban publikálták. Technikájuk három szovjet elméleti fizikus 1981-es hipotézisén, valamint újabb kutatásokon alapul.

A kísérlet során egy tudóscsoport két lézersugarat irányított egy speciális kamrában elhelyezett hidrogénatomokra. A becsapódás következtében az elektronok a hullámfüggvényeik által meghatározott sebességgel és irányban hagyták el pályájukat. A hidrogénatomokat tartalmazó kamrában az erős elektromos tér a sík (lapos) detektor meghatározott részeire irányította az elektronokat.

A detektorba ütköző elektronok helyzetét a kezdeti sebességük határozta meg, nem a kamrában elfoglalt helyzetük. Így az elektronok eloszlása ​​a detektoron elárulta a tudósoknak e részecskék hullámfüggvényét, amikor elhagyták a hidrogénatom atommagja körüli pályájukat.

Az elektronok mozgását egy foszforeszkáló képernyőn jelenítették meg sötét és világos gyűrűk formájában, amelyeket a tudósok nagy felbontású digitális fényképezőgéppel fényképeztek le.

"Nagyon elégedettek vagyunk az eredményeinkkel. A kvantummechanikának olyan kevés köze van a mindennapi élethez, hogy nem valószínű, hogy bárkinek is eszébe jutott volna valódi fényképet készíteni az atomban zajló kvantumkölcsönhatásokról" - mondja Aneta Stodolna, a kutatás vezetője. Azt is állítja, hogy a kifejlesztett technikának gyakorlati alkalmazásai is lehetnek, például atomvastagságú vezetők létrehozására, a molekuláris huzaltechnológia fejlesztésére, amely jelentősen javítja a modern elektronikai eszközöket.

„Figyelemre méltó, hogy a kísérletet kifejezetten hidrogénnel végezték, amely a világegyetem legegyszerűbb és legelterjedtebb anyaga nagy áttörés, amely lehetővé teszi számunkra, hogy ne csak elektronikát fejleszthessünk, hanem nanotechnológiát is” – mondja Jeff Lundeen, az Ottawai Egyetem munkatársa, aki nem vett részt a tanulmányban.

A kísérletet végző tudósok azonban nem gondolnak a kérdés gyakorlati oldalára. Úgy vélik, hogy felfedezésük elsősorban az alaptudományhoz kapcsolódik, amely segít több tudást átadni a jövő fizikusgenerációinak.

Valójában az RTCh szerzője odáig ment „elmélkedéseiben”, hogy ideje heves ellenérveket gerjeszteni, nevezetesen a japán tudósok hidrogénatom lefényképezési kísérletének adatait, amely november 4-én vált ismertté. , 2010. A képen jól látható az atom alakja, megerősítve az atomok diszkrétségét és kerekségét: „A Tokiói Egyetem tudósainak és szakembereinek egy csoportja a világon először fényképezett le egy egyedi hidrogénatomot – a legkönnyebb és legkisebb atomot, hírügynökségek jelentik.

A kép az egyik legújabb technológiával készült - egy speciális pásztázó elektronmikroszkóppal. Ezzel az eszközzel egy külön vanádium atomot fényképeztek le a hidrogénatommal együtt.
A hidrogénatom átmérője a méter egy tízmilliárd része. Korábban azt hitték, hogy modern felszereléssel szinte lehetetlen lefényképezni. A hidrogén a leggyakoribb anyag. Részesedése az egész Univerzumban körülbelül 90%.

A tudósok szerint más elemi részecskék is befoghatók ugyanígy. „Most már láthatjuk a világunkat alkotó összes atomot” – mondta Yuichi Ikuhara professzor. "Ez egy áttörés az új termelési formák felé, amikor a jövőben az egyes atomok és molekulák szintjén lehet majd döntéseket hozni."

Hidrogénatom, relatív színek
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213001

Német, görög, holland, amerikai és francia tudósok egy csoportja készített képeket a hidrogénatomról. Ezek a fotoionizációs mikroszkóppal készült képek olyan elektronsűrűség-eloszlást mutatnak, amely teljesen összhangban van az elméleti számítások eredményeivel. A nemzetközi csapat munkáját a Physical Review Letters oldalain mutatják be.

A fotoionizációs módszer lényege a hidrogénatomok szekvenciális ionizálása, vagyis az elektromágneses besugárzás hatására egy elektron eltávolítása belőlük. Az elválasztott elektronok egy pozitív töltésű gyűrűn keresztül az érzékeny mátrixba kerülnek, és az elektron helyzete a mátrixszal való ütközés pillanatában az elektron helyzetét tükrözi az atom ionizációjának pillanatában. Az elektronokat oldalra terelő töltött gyűrű lencseként működik, és segítségével a képet milliószorosára nagyítják.

Ezt a 2004-ben ismertetett módszert már alkalmazták az egyes molekulák „fotózására”, de a fizikusok tovább mentek, és fotoionizációs mikroszkóp segítségével vizsgálták a hidrogénatomokat. Mivel egy elektron becsapódása csak egy pontot hoz létre, a kutatók mintegy 20 ezer egyedi elektront gyűjtöttek össze különböző atomokból, és egy átlagos képet állítottak össze az elektronhéjakról.

A kvantummechanika törvényei szerint az atomban lévő elektronnak önmagában nincs meghatározott pozíciója. Csak akkor, ha egy atom kölcsönhatásba lép a külső környezettel, akkor ilyen vagy olyan valószínűséggel jelenik meg egy elektron az atommag bizonyos szomszédságában: azt a tartományt, amelyben az elektron detektálásának valószínűsége maximális, elektronhéjnak nevezzük. Az új képeken a különböző energiaállapotú atomok közötti különbségek láthatók; A tudósok egyértelműen be tudták mutatni az elektronhéjak kvantummechanika által megjósolt alakját.

Más eszközök, pásztázó alagútmikroszkópok segítségével az egyes atomok nemcsak láthatóak, hanem a kívánt helyre is elmozdíthatók. Körülbelül egy hónapja ez a technika lehetővé tette az IBM mérnökei számára, hogy rajzfilmet rajzoljanak, amelynek minden képkockája atomokból áll: az ilyen művészi kísérleteknek nincs gyakorlati hatása, de az atomok manipulálásának alapvető lehetőségét demonstrálják. Alkalmazott célokra már nem atomi összeállítást alkalmaznak, hanem kémiai folyamatokat, amelyek magukban foglalják a nanostruktúrák önszerveződését vagy a monoatomi rétegek növekedésének önkorlátozását a hordozón.